Các nhà khoa học vật liệu của Viện Vật lý Vi cấu trúc Max Planck đã phát hiện ra tại sao những vật chất sắt điện đôi khi lại mất các đặc tính hữu dụng của chúng ở kích thước cỡ nanô met.

Rất nhiều vật chất mất các đặc tính hữu dụng của chúng ngay khi kích thước của chúng bị giảm xuống dưới một giới hạn nào đó. Hiện tượng được gọi là "Hiệu ứng kích thước" có nguyên nhân rất đa dạng này lại có thể mở ra một hướng mới cho việc thu nhỏ các linh kiện điện quang, điện khí và điện tử. Đối với loại các vật chất đặc biệt hứa hẹn, như các oxit sắt điện, hiện nay, các nhà nghiên cứu ở Viện Vật lý Vi cấu trúc Max Planck, đã xác định được một nguồn gốc mới của Hiệu ứng kích thước này: đó là các độ hụt tuyến tính siêu nhỏ với một độ giãn nhỏ hơn một phần chục nanô mét, có khả năng làm biến dạng một ống vật chất có tiết diện ngang hình chữ nhật vào khoảng 4-8 nanô mét. Sự biến đạng này tinh vi đến nỗi các đặc tính sắt điện hữu dụng của vật chất này bị phá huỷ trong ống đó. Khám phá này đã chỉ ra rằng phải phòng tránh sự hình thành những độ hụt này, nếu sử dụng oxit sắt điện kích cỡ naoô làm các yếu tố của bộ nhớ ở các linh kiện điện tử trong tương lai.

Những yêu cầu ngày càng tăng hơn bao giờ hết đối với việc thu nhỏ và hiệu quả của các linh kiện điện tử đã đưa tới những nỗ lực của các nhà khoa học trong việc kết hợp các vật liệu mới thành các vi điện tử silic để vượt qua các hạn chế về mặt vật lý của các vật chất truyền thống. Những vật liệu này phải được sử dụng ngay từ đầu với kích cỡ không gian rất nhỏ. Theo quy luật, những kích cỡ này nằm trong cỡ từ vài nanô mét tới hàng chục nanô met. Một nanô mét bằng một phần triệu của một milimét. Trong phạm vi nanô mét, các đặc tính của hầu hết các vật liệu phụ thuộc chặt chẽ vào các kích thước bề ngoài của chúng, và chức năng của vật liệu này có thể bị mất khi các kích thước này nhỏ hơn một kích thước nào đó. Vì vậy, các nhà khoa học vật liệu cơ bản đang cố gắng làm rõ nguồn gốc và cơ chế của hiệu ứng kích thước này.

Với trường hợp một lớp loại vật liệu đặc biệt, các oxit điện sắt điện, thì vấn đề này càng đặc biệt đặc trưng. Các vật liệu dạng này được ứng dụng rộng rãi trong các linh kiện điện quang, điện khí và điện tử cấp cao. Trong rất nhiều trường hợp, những vật liệu này có chiều hướng mất đi chức năng của chúng ngay khi kích thước bên ngoài giảm xuống cỡ nano met. Ví dụ, những vật liệu dạng này gồm: chì ziriconat titanat, stronti bitmut tantanat và bitmut titanat. Các oxit sắt điện có thể được sử dụng để tạo nên các pin bộ nhớ "không bay hơi" ở các pin vi điện tử silic, đây là những loại pin không bị mất thông tin khi nguồn điện bị tắt.

Các bộ nhớ hoạt động của máy vi tính-RAM-sẽ được cải thiện rất nhiều nếu có thể tạo được các pin bộ nhớ không bay hơi với mật độ lưu trữ hàng vài tỷ bit trên 1 cm2. Với phương pháp này, thì thời gian, năng lượng tiêu tốn để khởi động máy vi tính và việc ghi tệp vào các ổ cứng mất nhiều thời gian có thể tránh được hoàn toàn. Tuy nhiên, để đạt được mục tiêu này đòi hỏi phải thu nhỏ được các pin bộ nhớ xuống vài chục nanô mét. Hệ quả là, câu hỏi tại sao các oxit sắt điện lại mất các đặc tính ghi nhớ của chúng khi ở dưới một giới hạn kích thước nào đó trong phạm vi nano mét là đặc biệt cần thiết. Các nhà vật lı về lĩnh vực trạng thái rắn đã nghiên cứu về câu hỏi này trên toàn thế giới nhưng vẫn chưa đạt được sự thống nhất về nguồn gốc hiệu ứng kích thước của các oxít sắt điện.

Nhóm nghiên cứu ở Viện Vật lý vi cấu trúc đã xác định được cơ chế của Hiệu ứng kích thước sắt điện. Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng các độ hụt lưới tinh thể tuyến tính nào đó có đường kính nhỏ hơn phần chục nanô mét có thể có vai trò đáng kể trong việc làm mất đặc tính ghi nhớ của các hạt ziriconat titanat chì mỏng 10 nanô mét. Những độ hụt này hình thành ở mặt phân cách của các hạt với chất nền là stronti titanat. Sử dụng kính hiện vi điện tử có độ phân giải cao định lượng, các nhà nghiên cứu chỉ ra rằng mỗi một độ hụt tuyến tính này, còn được gọi là biến vị không tương hợp, có thể làm biến dạng một ống vật chất có tiết diện mặt cắt vuông góc nhật từ 4 tới 8 nanô mét và có chiều dài từ 20 đến 50 nanô mét tới một độ giãn khiến cho vật liệu này mất đặc tính lưu trữ. Nếu hạt sắt điện này nhỏ đến nỗi mà hầu hết thể tích của nó trùng khớp với những ống vật chất biến dạng như vậy, thì chẳng bao lâu hạt sắt này sẽ mất các đặc tính lưu trữ. Vì vậy, cần phải tránh được sự hình thành các độ hụt lưới này nếu sử dụng các ô xít sắt điện có kích cỡ nanô mét cho các đặc tính lưu trữ.

Giáo sư Ulrich Gosele, Giám đốc của Viện Vật lý Vi cấu trúc Max Planck cho biết, tác động của những chuyển vị không tương hợp đối với các đặc tính điện tử và quang học của các cấu trúc nano bán dẫn là một vấn đề rất quan trọng trong ngành vật lı bán dẫn. Thật ngạc nhiên, ngày nay vấn đề này lại trở nên cũng thích hợp với đặc tính ghi nhớ của các cấu trúc nanô sắt điện. Khám phá này mở ra những tiềm năng mới trong việc lựa chọn có hệ thống những kết hợp vật liệu được xác định phù hợp cho các ứng dụng của các oxit sắt điện vào các thành phần bộ nhớ được thu nhỏ.

N.P.A. (Theo Max Planck Society, 19/1/2004)